AT521495A4

AT521495A4 - DEFENSE SYSTEM

Info

Publication number: AT521495A4
Application number: AT602112018A
Authority: AT
Original assignee: Staudt Friedrich
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2020-02-15
Also published as: WO2020102835A1; AT521495B1; EP3884149A1

Abstract

Es wird eine Wehranlage mit einem Wehr (1), mit einer dem Wehr (1) in Strömungsrichtung nachgeordneten, der Höhe nach verlagerbaren, unterhalb einer Überlauframpe (24) angeordneten Freistrahlturbine (7) und mit wenigstens einer unteren Turbinenanspeisung (8) beschrieben, die eine gegen den Turbinenrotor (16) gerichtete, düsenartige Leiteinrichtung umfasst. Um vorteilhafte Konstruktionsbedingungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass die zwischen zwei Stirnwänden (20) pfeilförmig verlaufenden Turbinenschaufeln (19) zwei von den Stirnwänden (20) ausgehende, zueinander geneigte, in Bezug auf eine Mittelebene (21) zwischen den Stirnwänden (20) symmetrische, ineinander stetig übergehende Schaufelabschnitte (22) aufweisen.A weir system with a weir (1), with a free jet turbine (7) arranged downstream of the weir (1) in the flow direction, height-adjustable, below an overflow ramp (24) and with at least one lower turbine feed (8) is described comprises a nozzle-like guide device directed against the turbine rotor (16). In order to create advantageous construction conditions, it is proposed that the turbine blades (19), which run in the shape of an arrow between two end walls (20), have two emanating from the end walls (20) that are inclined to one another and symmetrical with respect to a central plane (21) between the end walls (20) , have blade sections (22) which continuously merge into one another.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wehranlage mit einem Wehr, mit einer dem Wehr in Strömungsrichtung nachgeordneten, der Höhe nach verlagerbaren, unterhalb einer Überlauframpe angeordneten Freistrahlturbine und mit wenigstens einer unteren Turbinenanspeisung, die eine gegen den Turbinenrotor gerichtete, düsenartige Leiteinrichtung umfasst.The invention relates to a weir system with a weir, with a free jet turbine arranged downstream of the weir in the flow direction, displaceable in height, below an overflow ramp, and with at least one lower turbine feed, which comprises a nozzle-like guide device directed against the turbine rotor.

Um bestehende Wehranlagen mit einem vergleichsweise geringen Konstruktionsaufwand zur Energiegewinnung mit einer Wasserkraftturbine ausrüsten zu können, die mit einem guten Wirkungsgrad das Überlaufwasser dieser Wehranlagen nützt und in einfacher Weise vor Geschwemmsel und Geschiebe geschützt werden kann, ist es bekannt (WO 2012/129586 A2), eine über wenigstens eine untere Turbinenanspeisung beaufschlagbare, als Freistrahlturbine wirkende Radialturbine unterhalb einer Überlauframpe auf einer Schützentafel des Wehrs vorzusehen, sodass die Radialturbine mithilfe der Schützentafel der Höhe nach verlagert werden kann. Mit dem Vorsehen einer unteren Turbinenanspeisung in Form einer gegen den Turbinenrotor gerichteten, düsenartigen Leiteinrichtung werden darüber hinaus wesentliche Voraussetzungen geschaffen, die Radialturbine vorteilhaft mit dem Restwasser nach Art einer Freistrahlturbine zu beaufschlagen. Das Aufschlagswasser strömt gerichtet gegen die Turbinenschaufeln oberhalb des Unterwassers und kann auch wieder aus den Kammern zwischen den Schaufeln frei ausströmen, sodass die kinematische Energie des Aufschlagswassers vorteilhaft für den Antrieb des Turbinenrotors genützt werden kann. Dazu kommt, dass die Turbinenanordnung unterhalb einer Überlauframpe einen einfachen Schutz der Radialturbine gegenüber Geschwemmsel mit sich bringt. Da die Radialturbine an der Schützentafel gelagert ist, braucht auch die Geschiebegefahr konstruktivIn order to be able to equip existing weir systems with a comparatively low design effort for energy generation with a hydropower turbine, which uses the overflow water of these weir systems with a high degree of efficiency and can be protected in a simple manner from debris and debris, it is known (WO 2012/129586 A2), to provide a radial turbine which acts on at least one lower turbine feed and acts as a free jet turbine below an overflow ramp on a rifle board of the weir, so that the radial turbine can be shifted in height with the help of the runners board. The provision of a lower turbine feed in the form of a nozzle-like guide device directed against the turbine rotor also creates essential conditions for advantageously charging the radial turbine with the residual water in the manner of a free jet turbine. The impact water flows against the turbine blades above the underwater and can also flow freely out of the chambers between the blades, so that the kinematic energy of the impact water can be used advantageously to drive the turbine rotor. In addition, the turbine arrangement below an overflow ramp provides simple protection for the radial turbine against flooding. Since the radial turbine is mounted on the rifle board, there is also a need for construction load

2/10 nicht besonders berücksichtigt zu werden, weil ja die Radialturbine mit der Schützentafel hochgezogen wird.2/10 not to be taken into special consideration because the radial turbine with the rifle board is pulled up.

Um einen Durchgang von Fischen durch die Freistrahlturbine ohne Verletzungsgefahr für die Fische zu ermöglichen, müssen die Kammern zwischen den Turbinenschaufeln ein ausreichendes Aufnahmevolumen aufweisen, was wiederum die Anzahl der Turbinenschaufeln mit dem Nachteil beschränkt, dass die Laufruhe des Turbinenrotors empfindlich gestört wird. Daraus leiten sich nicht nur höhere mechanische Belastungen der Turbinenanlage einschließlich des angetriebenen Generators, sondern auch Einbußen in Bezug auf den Wirkungsgrad ab.In order to allow fish to pass through the free jet turbine without risk of injury to the fish, the chambers between the turbine blades must have a sufficient intake volume, which in turn limits the number of turbine blades with the disadvantage that the smooth running of the turbine rotor is severely disturbed. This not only results in higher mechanical loads on the turbine system including the driven generator, but also in terms of efficiency.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Freistrahlturbine für eine Wehranlage so auszubilden, dass trotz einer Beschränkung der Schaufelzahl auf wenige Schaufeln die auftretenden Belastungen klein gehalten und weitgehend gleichförmige Rotordrehungen sichergestellt werden können.The invention is therefore based on the object of designing a free jet turbine for a weir system in such a way that, despite the number of blades being restricted to a few blades, the loads which occur are kept small and largely uniform rotor rotations can be ensured.

Ausgehend von einer Wehranlage der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass die zwischen zwei Stirnwänden pfeilförmig verlaufenden Turbinenschaufeln zwei von den Stirnwänden ausgehende, zueinander geneigte, in Bezug auf eine Mittelebene zwischen den Stirnwänden symmetrische, ineinander stetig übergehende Schaufelabschnitte aufweisen.Starting from a weir system of the type described at the outset, the invention achieves the stated object in that the turbine blades, which run in the form of an arrow between two end walls, have two blade sections which emanate from the end walls and are inclined with respect to one another and symmetrical with respect to a central plane between the end walls.

Zufolge der durch ihren Verlauf eine Pfeilform der Turbinenschaufeln bestimmenden Schaufelabschnitte beaufschlagt das Aufschlagswasser aus der Leiteinrichtung die Turbinenschaufeln nicht schlagartig entlang ihrer gesamten axialen Erstreckung, sondern in Abhängigkeit vom Neigungswinkel dieser Schaufelabschnitte über einen Drehwinkel verteilt, sodass aufgrund der dadurch bedingten Verteilung der Rotorbeaufschlagung über einen größeren Umfangsbereich eine gleichmäßigere Rotordrehung gewährleistet werden kann. Damit sind die konstruktiven Voraussetzungen für Freistrahlturbinen geschaffen, die aufgrund ausreichend großer Kammern zwischen den einen stetigen Verlauf zwischen den Stirnwänden aufweisenden Turbinenschaufeln einen weitgehend gefahrlosen Fischdurchgang inAs a result of the blade sections determining the shape of an arrow of the turbine blades, the impact water from the guide device does not suddenly impact the turbine blades along their entire axial extent, but rather as a function of the angle of inclination of these blade sections over an angle of rotation, so that due to the resulting distribution of the rotor impingement over a larger one Circumferential area a more uniform rotor rotation can be guaranteed. This creates the structural requirements for free jet turbines which, due to the sufficiently large chambers between the turbine blades, which have a constant course between the end walls, make a largely safe passage of fish in

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Strömungsrichtung ermöglichen, und zwar bei günstigen mechanischenAllow flow direction, with favorable mechanical

Betriebsbedingungen für die Freistrahlturbine. Der zur Mittelebene zwischen den beiden Stirnwänden symmetrische Verlauf der beiden Schaufelabschnitte stellt symmetrische Belastungsverhältnisse unter Vermeidung von resultierendenOperating conditions for the free jet turbine. The course of the two blade sections, which is symmetrical to the center plane between the two end walls, provides symmetrical load conditions while avoiding resulting ones

Axialkräften sicher.Axial forces safe.

Obwohl die Pfeilform des Verlaufs der Turbinenschaufeln in oder entgegen der Drehrichtung des Turbinenrotors ausgerichtet sein kann, können mit einer in Drehrichtung weisenden Pfeilform, also mit in Drehrichtung des Rotors konvergierenden Schaufelabschnitten, günstigere Strömungsbedingungen genützt werden.Although the arrow shape of the course of the turbine blades can be oriented in or against the direction of rotation of the turbine rotor, more favorable flow conditions can be used with an arrow shape pointing in the direction of rotation, that is to say with blade sections converging in the direction of rotation of the rotor.

Zur Höhenverstellung der Freistrahlturbine kann vorteilhaft das Hubwerk für die Schützentafeln des Wehrs genützt werden, wenn die Freistrahlturbine auf einer Schützentafel als Turbinenträger angeordnet ist. Es ist aber auch möglich, die Freistrahlturbine unabhängig von einer Schützentafel in Führungen zu lagern, die an den Wehrkanalwänden angebracht sind. Allerdings benötigen solche der Höhe nach verlagerbare Turbinenanordnungen gesonderte Hubtriebe.To adjust the height of the free jet turbine, the lifting mechanism for the contactor plates of the weir can advantageously be used if the free jet turbine is arranged on a contactor plate as a turbine carrier. However, it is also possible to store the free jet turbine in guides that are attached to the weir channel walls, independently of a rifle board. However, those turbine arrangements that can be shifted in height require separate lifting drives.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigenThe subject matter of the invention is shown in the drawing, for example. Show it

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Wehranlage in einem schematischen Längsschnitt durch das Wehr undFig. 1 a weir system according to the invention in a schematic longitudinal section through the weir and

Fig. 2 den Turbinenrotor in einer schematischen Draufsicht in einem größeren Maßstab.Fig. 2 shows the turbine rotor in a schematic plan view on a larger scale.

Die dargestellte Wehranlage weist ein Wehr 1 auf, das eine in einer Vertikalführung 2 der Höhe nach geführte Schützentafel 3 mit einer oberen Stauklappe 4 aufweist. Die Schützentafel 3 ist mit Hilfe eines Hubwerks 5 entlang der Vertikalführung 2 verlagerbar. Für die Stauklappe 4, die am oberen Rand der Schützentafel 3 angelenkt ist, ist ein Schwenktrieb 6 z. B. in Form wenigstens eines Schwenkzylinders vorgesehen. Auf der Seite des Unterwassers ist an der Schützentafel 3 eine Freistrahlturbine 7 angeordnet, die mit dem sonst einenThe weir system shown has a weir 1 which has a rifle board 3 which is guided vertically in a vertical guide 2 with an upper stowage flap 4. The contactor board 3 can be moved along the vertical guide 2 with the aid of a lifting mechanism 5. For the baffle flap 4, which is articulated on the upper edge of the rifle board 3, a swivel drive 6 z. B. in the form of at least one pivot cylinder. On the side of the underwater a free jet turbine 7 is arranged on the rifle board 3, which with the otherwise one

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Überlauf bildenden Restwasser über eine Turbinenanspeisung 8 von unten beaufschlagt wird. Die Freistrahlturbine 7 ist auf einem Schlitten 9 gelagert, der auf der Schützentafel 3 in einer Schlittenführung 10 der Höhe nach verstellbar gelagert ist. Der Schlittenantrieb 11 ist lediglich schematisch angedeutet.Overflow-forming residual water is applied from below via a turbine feed 8. The free jet turbine 7 is mounted on a slide 9, which is mounted on the rifle board 3 in a slide guide 10 with adjustable height. The carriage drive 11 is only indicated schematically.

Die Turbinenanspeisung 8 umfasst eine düsenartige Leiteinrichtung, die vorzugsweise eine obere und eine untere Leitwand 12, 13 aufweist. Diese Leiteinrichtung schließt an einen Zulaufspalt 14 zwischen einem Vorboden 15 und der entsprechend angehobenen Schützentafel 3 an, sodass das sonst einen Überlauf bildende Restwasser unterhalb der Schützentafel 3 zur oberhalb des Unterwassers angeordneten Freistrahlturbine 7 strömt. Zur Einstellung der Durchlaufmenge sowie der Düsenausrichtung gegenüber dem Turbinenrotor 16 sind die Leitwände 12, 13 über strichpunktiert angedeutete Stelltriebe 17 und 18 in ihrer Lage einstellbar.The turbine feed 8 comprises a nozzle-like guide device, which preferably has an upper and a lower guide wall 12, 13. This guide device adjoins an inlet gap 14 between a front floor 15 and the correspondingly raised contactor board 3, so that the residual water which otherwise forms an overflow flows below the contactor board 3 to the free jet turbine 7 arranged above the underwater. In order to adjust the flow rate and the nozzle orientation relative to the turbine rotor 16, the position of the guide walls 12, 13 can be adjusted by means of actuators 17 and 18 indicated by dash-dotted lines.

Der Turbinenrotor 16 der von unten beaufschlagbaren Freistrahlturbine 7 ist mit Turbinenschaufeln 19 ausgerüstet, die sich zwischen zwei Stirnwänden 20 des Turbinenrotors 16 erstrecken und eine Umlenkung des Aufschlagswassers und damit eine vorteilhafte Übertragung der kinetischen Energie des Aufschlagswassers auf den Turbinenrotor 16 erlauben. Zu diesem Zweck sind die Turbinenschaufeln 19 in einem zur Rotorachse senkrechten Schnitt entgegen der Drehrichtung gekrümmt ausgebildet, beispielsweise dadurch, dass ein äußerer radialer Randabschnitt der Turbinenschaufeln 19 gemäß Fig. 1 entgegen der Drehrichtung zurückgebogen verläuft.The turbine rotor 16 of the free jet turbine 7, which can be acted upon from below, is equipped with turbine blades 19 which extend between two end walls 20 of the turbine rotor 16 and allow the impact water to be deflected and thus to advantageously transfer the kinetic energy of the impact water to the turbine rotor 16. For this purpose, the turbine blades 19 are curved in a section perpendicular to the rotor axis counter to the direction of rotation, for example in that an outer radial edge section of the turbine blades 19 according to FIG. 1 is bent back against the direction of rotation.

Außerdem weisen die Turbinenschaufeln 16 zwischen den Stirnwänden 20 einen pfeilförmigen Verlauf auf, was durch zwei gegeneinander geneigte, von den Stirnwänden 20 ausgehende, in Bezug auf eine Mittelebene 21 zwischen den Stirnwänden 20 symmetrische und ineinander stetig übergehende Schaufelabschnitte 22 erreicht wird, wie dies der Fig. 2 entnommen werden kann. Der vorzugsweise in Drehrichtung ausgerichtete Pfeilverlauf der Turbinenschaufeln 19 bedingt eine über einen Drehwinkel des Turbinenrotors 16 zunehmende Beaufschlagung der Turbinenschaufeln 19, was eine wesentliche Voraussetzung fürIn addition, the turbine blades 16 between the end walls 20 have an arrow-shaped course, which is achieved by two mutually inclined, starting from the end walls 20, with respect to a central plane 21 between the end walls 20 symmetrical and continuously merging into one another, as shown in FIG 2 can be removed. The direction of the arrow of the turbine blades 19, which is preferably oriented in the direction of rotation, requires the turbine blades 19 to be acted upon increasing over an angle of rotation of the turbine rotor 16, which is an essential prerequisite for

5/10 eine weitgehend gleichmäßige Drehmomentbeaufschlagung des Turbinenrotors 16 während einer Rotorumdrehung bei einem Turbinenrotor 16 mit einer beschränkten Schaufelanzahl darstellt. Eine geringe Schaufelanzahl ist allerdings für eine Fischdurchgängigkeit durch die Freistrahlturbine in Durchströmrichtung erforderlich, um zwischen den Turbinenschaufeln 19 ausreichend große Kammern zur gefahrlosen Fischaufnahme sicherstellen zu können. Obwohl sich für diesen Zweck eine Anordnung von sechs Turbinenschaufeln bewährt hat, ist es zur Anpassung an die jeweils zu berücksichtigenden Anforderungen durchaus möglich diese Schaufelanzahl zu verkleinern oder zu vergrößern.5/10 represents a largely uniform application of torque to the turbine rotor 16 during a rotor revolution in the case of a turbine rotor 16 with a limited number of blades. A small number of blades is, however, necessary for fish to pass through the free jet turbine in the direction of flow in order to be able to ensure sufficiently large chambers between the turbine blades 19 for safe fish intake. Although an arrangement of six turbine blades has proven itself for this purpose, it is entirely possible to reduce or increase this number of blades in order to adapt to the requirements to be taken into account in each case.

Um die Turbinenschaufeln 19 vorteilhaft mit dem Aufschlagswasser beaufschlagen zu können, kann die Leiteinrichtung durch das Einstellen der Leitwände 12 und 13 gegenüber dem Turbinenrotor 16 ausgerichtet werden. Da das von den Turbinenschaufeln 19 abströmende Aufschlagswasser einen entsprechenden Strömungsquerschnitt erfordert, ist der Turbinenrotor 16 mit einem angepassten Mindestabstand vom Nachboden 23 oberhalb des Unterwassers anzuordnen. Die zusätzliche Höhenverstellung der Freistrahlturbine 7 gegenüber der Schützentafel 3 über den Schlitten 9 ermöglicht eine feinfühlige Anpassung.In order to be able to advantageously apply the impact water to the turbine blades 19, the guide device can be aligned with the turbine rotor 16 by adjusting the guide walls 12 and 13. Since the impact water flowing out of the turbine blades 19 requires a corresponding flow cross section, the turbine rotor 16 is to be arranged above the underwater with an adapted minimum distance from the afterburden 23. The additional height adjustment of the free jet turbine 7 relative to the rifle board 3 via the slide 9 enables a sensitive adjustment.

Die Freistrahlturbine 7 ist unterhalb einer Überlauframpe 24 angeordnet, sodass selbst beim Abschwenken der Stauklappe 4 das aus dem Stauraum abfließende Geschwemmsel die Freistrahlturbine 7 nicht gefährden kann. Da die Freistrahlturbine 7 mit der Schützentafel 3 hochgezogen wird, kann auch das Geschiebe keine Gefahr für die Freistrahlturbine 7 darstellen. Es ist lediglich dafür zu sorgen, dass insbesondere die untere Leitwand 13 mit der Schützentafel 3 entsprechend angehoben und aus dem Geschiebebereich verlagert wird.The free jet turbine 7 is arranged below an overflow ramp 24, so that even when the baffle flap 4 is pivoted away, the pebbles flowing out of the storage space cannot endanger the free jet turbine 7. Since the free jet turbine 7 is pulled up with the contactor board 3, the attachment can also pose no danger to the free jet turbine 7. It is only necessary to ensure that in particular the lower guide wall 13 with the rifle board 3 is raised accordingly and moved out of the attachment area.

Das Restwasser kann nicht nur unter der Schützentafel 3, sondern mit Hilfe einer Überhebeeinrichtung auch über das Wehr 1 hinweg der Turbinenanspeisung 8 zur Beaufschlagung der Freistrahlturbine 7 zugeführt werden, und zwar über einen Fallschacht, der in die Turbinenanspeisung 8 mündet. Außerdem ist es möglich, die Freistrahlturbine 7 unabhängig von einer Schützentafel 3 in Führungen 25 zu lagern, die an den Wehrkanalwänden 26 angebracht sind, wie dies in der Fig. 1The residual water can be supplied not only under the rifle board 3, but also with the aid of a lifting device over the weir 1 to the turbine feed 8 to act on the free jet turbine 7, specifically via a chute that opens into the turbine feed 8. In addition, it is possible to mount the free jet turbine 7 in guides 25, which are attached to the weir channel walls 26, independently of a rifle board 3, as shown in FIG. 1

6/10 strichpunktiert angedeutet ist. Allerdings benötigen solche der Höhe nach in gesonderten Führungen 25 verlagerbare Turbinenanordnungen gesonderte Hubtriebe 27.6/10 is indicated by dash-dotted lines. However, those turbine assemblies which can be displaced in height in separate guides 25 require separate lifting drives 27.

Obwohl aus Übersichtlichkeitsgründen in der Zeichnung kein von der Freistrahlturbine 7 antreibbarer Generator dargestellt ist, bildet ein solcher üblicherweise über eine Kupplung und gegebenenfalls ein Getriebe angeschlossener Generator mit der Freistrahlturbine 7 eine gemeinsam verstellbare Baueinheit, der zum Ausgleich ungleichförmiger Drehbewegungen zusätzlich ein Schwungrad zugeordnet werden kann.Although, for reasons of clarity, no generator that can be driven by the free jet turbine 7 is shown in the drawing, such a generator, which is usually connected via a clutch and possibly a gearbox, forms a jointly adjustable structural unit with the free jet turbine 7, which can additionally be assigned a flywheel to compensate for non-uniform rotary movements.

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PatentanwältePatent attorneys

Dipl.-Ing. Helmut HübscherDipl.-Ing. Helmut Hübscher

Dipl.-Ing. Gerd HübscherDipl.-Ing. Gerd pretty

Dipl.-Ing. Karl Winfried HellmichDipl.-Ing. Karl Winfried Hellmich

Spittelwiese 4, 4020 LinzSpittelwiese 4, 4020 Linz

Claims

1. Weir system with a weir (1), with a weir (1) in

Downstream of the flow direction, the height of which can be shifted, arranged below an overflow ramp (24) free jet turbine (7) and with at least one lower turbine feed (8), which comprises a nozzle-like guide device directed towards the turbine rotor (16), characterized in that the between The end walls (20) of the turbine blades (19), which run in the shape of an arrow, have two vane sections (22) which start from the end walls (20) and are inclined with respect to one another and symmetrical with respect to a central plane (21) between the end walls (20).

2. Weir system according to claim 1, characterized in that the two blade sections (22) converge in the direction of rotation of the turbine rotor (16).

3. Weir system according to claim 1 or 2, characterized in that the free jet turbine (7) on a rifle board (3) of the weir (1) is arranged.

4. Weir system according to claim 1 or 2, characterized in that the free jet turbine (7) in the weir channel walls (26) arranged guides (25) is mounted displaceably in height.